RU2549367C1 - Mass spectrometer - Google Patents
Mass spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2549367C1 RU2549367C1 RU2013149362/07A RU2013149362A RU2549367C1 RU 2549367 C1 RU2549367 C1 RU 2549367C1 RU 2013149362/07 A RU2013149362/07 A RU 2013149362/07A RU 2013149362 A RU2013149362 A RU 2013149362A RU 2549367 C1 RU2549367 C1 RU 2549367C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- separator
- mass
- electrodes
- speed
- ion
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и, в частности, к анализаторам масс-спектров.The proposed device relates to the field of measurement technology and, in particular, to mass spectrum analyzers.
Основными областями применения анализаторов заряженных частиц по энергиям и массам являются: изучение поверхности твердых тел, исследование структуры вещества и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме.The main fields of application for energy and mass analyzer of charged particles are: the study of the surface of solids, the study of the structure of matter and interaction processes in collisions of particles in gases and plasma.
При создании масс-спектрометров преследуют цель создания устройств, позволяющих проводить исследование ионизированных частиц, входящих в состав потоков плазмы и ионных пучков, с высокой точностью. Как известно, для получения масс-спектра, частицы должны быть ионизированы, т.е. пройти через ионизационную камеру, затем они вытягиваются из нее экстрактором, попадают в сепаратор, разделяются в нем по массам и поступают на коллектор, создавая в его цепи ток. Для получения спектра ионной компоненты, учитывая большой энергетический разброс ионов, используется анализатор с комбинацией электрического и магнитного полей.When creating mass spectrometers, the aim is to create devices that allow the study of ionized particles included in plasma streams and ion beams with high accuracy. As is known, to obtain a mass spectrum, particles must be ionized, i.e. pass through the ionization chamber, then they are pulled out of it by an extractor, fall into the separator, are divided by mass in it and enter the collector, creating a current in its circuit. To obtain the spectrum of the ionic component, given the large energy spread of the ions, an analyzer with a combination of electric and magnetic fields is used.
Так, известен масс-спектрометр с анализатором частиц со скрещенными электрическим и магнитным полями (FR 2695756 A1, МПК H01J 49/48, опубликованный 18.03.1994) - [1], в котором анализатор ионов представляет собой, по меньшей мере, один цилиндрический электрод для создания области электрического поля, электромагнит для создания магнитного поля, перпендикулярного упомянутому электрическому полю, и разворотные линзы для направления частиц в последующий цилиндрический электрод. Данное устройство позволяет увеличивать разрешающую способность путем удлинения области анализатора со скрещенными полями.Thus, a mass spectrometer with a particle analyzer with crossed electric and magnetic fields is known (FR 2695756 A1, IPC H01J 49/48, published 03/18/1994) - [1], in which the ion analyzer is at least one cylindrical electrode to create an electric field region, an electromagnet to create a magnetic field perpendicular to said electric field, and reversal lenses to direct particles into a subsequent cylindrical electrode. This device allows you to increase the resolution by lengthening the area of the analyzer with crossed fields.
Недостатком такого устройства является сложность конструкции и сборки прибора для обеспечения высокой точности исследований. Разворотные линзы неизбежно вызывают рассеяние частиц, что ведет к уменьшению тока на выходе анализатора, а, следовательно, и к снижению разрешающей способности прибора.The disadvantage of this device is the complexity of the design and assembly of the device to ensure high accuracy studies. Reversal lenses inevitably cause scattering of particles, which leads to a decrease in current at the output of the analyzer, and, consequently, to a decrease in the resolution of the device.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является масс-спектрометр (US 4054796 A, МПК H01J 49/28, опубликованный 18.10.1977) - [2], который содержит ионизационную камеру, диафрагму, анализатор частиц, представляющий собой параллельные электроды для создания между ними электрического поля и магнитные полюсные наконечники, для создания магнитного поля, ориентированного перпендикулярно указанному электрическому полю, диафрагму, электростатический сепаратор частиц, обеспечивающий исправление энергетической дисперсии, диафрагму и коллектор.The closest in technical essence to the proposed device is a mass spectrometer (US 4054796 A, IPC H01J 49/28, published 10/18/1977) - [2], which contains an ionization chamber, a diaphragm, a particle analyzer, which is a parallel electrode for creating between them an electric field and magnetic pole pieces, to create a magnetic field oriented perpendicular to the specified electric field, a diaphragm, an electrostatic particle separator, providing correction of the energy dispersion, the diaphragm mu and collector.
Недостатком данного устройства является использование магнитных полюсных наконечников, так как постоянные магниты имеют неоднородность магнитного поля, распространяющуюся от центра к их краям, что, как следствие, ведет к аберрациям. Кроме того, использование постоянных магнитов не обеспечивает возможность изменения величины магнитной индукции в зазоре между ними, что ограничивает применение прибора.The disadvantage of this device is the use of magnetic pole pieces, since the permanent magnets have a nonuniform magnetic field propagating from the center to their edges, which, as a result, leads to aberrations. In addition, the use of permanent magnets does not provide the ability to change the magnitude of the magnetic induction in the gap between them, which limits the use of the device.
В основу предлагаемого технического решения заложена задача создания масс-спектрометра, с высокой разрешающей способностью, позволяющего минимизировать искажения в измерениях, возникающие за счет краевых эффектов, которые присутствуют при использовании постоянных магнитов, и проводить исследования функции распределения ионов по скоростям для разных масс.The basis of the proposed technical solution is the task of creating a mass spectrometer with a high resolution, which minimizes the distortions in measurements arising from the edge effects that are present when using permanent magnets and studies the ion velocity distribution function for different masses.
Техническим эффектом данного изобретения является:The technical effect of this invention is:
- повышение точности измерения массового состава ионного потока, т.е. разрешающей способности устройства;- improving the accuracy of measuring the mass composition of the ion flux, i.e. device resolution;
- возможность получения функции распределения для конкретной массы иона по скоростям;- the possibility of obtaining a distribution function for a specific ion mass over velocities;
- расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности получения спектра ионного потока изменением магнитного или электрического полей.- expanding the functionality of the device due to the possibility of obtaining the spectrum of the ion flux by changing the magnetic or electric fields.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в масс-спектрометре, содержащем размещенные последовательно в заземленной вакуумной камере по направлению распространения исследуемого потока ионов от ее входного отверстия сепаратор по скоростям ионов, который выполнен в виде двух параллельных друг другу электродов с токовводами и имеет заземленные входную и выходную диафрагмы, сепаратор по массам ионов, выполненный в виде электростатического анализатора, который имеет два параллельных друг другу электрода цилиндрической формы с токовводами и снабжен заземленными входной и выходной диафрагмами с токовводами, а также коллектор с токовводом и присоединенным к нему вне вакуумной камеры регистрирующим устройством, при этом электроды сепаратора по скоростям ионов выполнены в виде коаксиальных внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, между которыми в торцах размещены тонкие кольца из диэлектрика, причем в каждом кольце в его продольном направлении выполнено сквозное отверстие, оси сквозных отверстий в кольцах сепаратора по скоростям ионов совпадают с осями входного отверстия вакуумной камеры Z, а также отверстий входной и выходной диафрагм сепаратора по скоростям ионов, при этом сепаратор по скоростям ионов снабжен электромагнитной обмоткой, которая имеет токоввод и охватывает внешний и внутренний цилиндрические электроды сепаратора по скоростям ионов с внешней и внутренней стороны соответственно, а также кольца между ними, причем входная диафрагма сепаратора по скоростям ионов размещена в вакуумной камере у ее входного отверстия, кроме того, устройство снабжено генераторами импульсов напряжений сложной формы для управления напряжением внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, а также для управления электромагнитной обмоткой сепаратора по скоростям ионов, и напряжением на электродах сепаратора по массам ионов, токовводы которых присоединены к выходам соответствующих генераторов импульсов напряжений сложной формы, помимо того, устройство снабжено многоканальным импульсным генератором, который имеет независимые каналы по числу генераторов импульсов напряжений сложной формы и выполнен с возможностью формирования импульсов напряжения на выходах независимых каналов, которые соединены с входами генераторов импульсов напряжений сложной формы для управления напряжениями на электродах сепаратора по массам ионов с временной задержкой tзад более времени пролета ионами расстояния между выходной диафрагмой сепаратора по скоростям ионов и входной диафрагмой сепаратора по массам ионов относительно импульсов напряжения на выходах независимых каналов, которые соединены с входами генераторов импульсов напряжений сложной формы для управления напряжением внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, а также для управления электромагнитной обмоткой сепаратора по скоростям ионов.The solution of the problem and the corresponding technical result are achieved by the fact that in the mass spectrometer containing sequentially placed in a grounded vacuum chamber in the direction of propagation of the studied ion flow from its inlet, the separator according to ion velocities, which is made in the form of two electrodes parallel to each other with current leads and has grounded input and output diaphragms, an ion mass separator made in the form of an electrostatic analyzer, which has two parallel d it has a cylindrical electrode with current leads and is equipped with a grounded input and output diaphragms with current leads, as well as a collector with a current lead and a recording device attached to it outside the vacuum chamber, while the separator electrodes are made in the form of coaxial external and internal cylindrical electrodes, between which thin dielectric rings are placed at the ends, and a through hole is made in each ring in its longitudinal direction, the axis of the through holes in the separation rings The pores in terms of ion velocities coincide with the axes of the inlet of the vacuum chamber Z, as well as the holes of the inlet and outlet diaphragms of the separator in terms of ion velocities, while the separator in terms of ion velocities is equipped with an electromagnetic coil, which has a current lead and encompasses the outer and inner cylindrical electrodes of the separator in terms of ion velocities with the outer and inner sides, respectively, as well as the rings between them, and the input diaphragm of the separator according to the ion velocities is placed in the vacuum chamber at its inlet, in addition The property is equipped with complex voltage pulse generators for controlling the voltage of the external and internal cylindrical electrodes, as well as for controlling the electromagnetic coil of the separator according to ion velocities, and the voltage on the separator electrodes by ion masses, the current leads of which are connected to the outputs of the corresponding voltage pulse generators of complex shape, in addition , the device is equipped with a multi-channel pulse generator, which has independent channels in the number of voltage pulse generators of the layer hydrochloric shape and is configured to generate voltage pulses on independent channel outputs, which are connected to the inputs of the pulse complex shape voltage generator to control the voltages on the electrodes a separator of the masses of the ions with a time delay t ass a time span distances ions between the outlet orifice of the separator for the ion velocity and the input diaphragm of the separator according to the masses of ions relative to the voltage pulses at the outputs of independent channels that are connected to the inputs of the pulse generators complex voltages for controlling the voltage of the external and internal cylindrical electrodes, as well as for controlling the electromagnetic winding of the separator according to ion velocities.
Предлагаемый в данном устройстве анализатор с комбинацией электрического и магнитного полей выполнен с ортогональной ориентацией напряженностей электрического и магнитного полей и играет роль сепаратора по скоростям поступающих на него частиц потока ионов. В данном масс-спектрометре после сепаратора по скоростям расположен электростатический анализатор, разделяющий поток частиц по величине отношения энергии к заряду. Поскольку, при фиксированной скорости энергия частицы пропорциональна массе, то на выходе электростатического анализатора ионы будут разделены по массам. Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется возможность измерения функции распределения ионов по скоростям для разных масс. Данное обстоятельство расширяет возможности масс-спектрометра, обеспечивает отличительный подход к диагностике заряженных частиц и высокую точность исследований состава ионизированных веществ.The analyzer proposed in this device with a combination of electric and magnetic fields is made with the orthogonal orientation of the electric and magnetic fields and plays the role of a separator according to the velocities of the particles of the ion flow entering it. In this mass spectrometer, after the speed separator, there is an electrostatic analyzer that separates the particle flux by the magnitude of the energy to charge ratio. Since, at a fixed speed, the particle energy is proportional to the mass, then the ions will be divided by mass at the output of the electrostatic analyzer. Thus, in the proposed device, it is possible to measure the distribution function of ions by velocity for different masses. This circumstance expands the capabilities of the mass spectrometer, provides a distinctive approach to the diagnosis of charged particles and high accuracy of studies of the composition of ionized substances.
На Фиг.1 - схематично изображен предлагаемый масс-спектрометр в разрезе.Figure 1 - schematically shows the proposed mass spectrometer in section.
На Фиг.2 - схематично показаны электроды сепаратора по скоростям ионов, изолированные кольцами из диэлектрика и снабженные электромагнитной обмоткой.Figure 2 - schematically shows the electrodes of the separator according to the speeds of the ions, insulated by rings of dielectric and equipped with an electromagnetic winding.
На Фиг.3 - приведены эпюры импульсных напряжений с выходов независимых каналов многоканального импульсного генератора для запуска генераторов импульсов напряжений сложной формы (вариант управления масс-спектрометром при постоянном напряжении на электромагнитной обмотке).Figure 3 shows the diagrams of pulsed voltages from the outputs of the independent channels of a multichannel pulsed generator for triggering complex voltage pulse generators (a variant of controlling a mass spectrometer with a constant voltage on an electromagnetic coil).
На Фиг.4 - приведены эпюры изменения величин электрических потенциалов на электродах сепараторов по скоростям и массам ионов и их разностей от времени;Figure 4 - shows the diagrams of changes in the values of electric potentials on the electrodes of the separators according to the velocities and masses of ions and their differences from time to time;
На Фиг.5 - приведены эпюры импульсных напряжений с выходов независимых каналов многоканального импульсного генератора для запуска генераторов импульсов напряжений сложной формы (вариант управления масс-спектрометром импульсным сигналом на электромагнитной обмотке).Figure 5 shows the diagrams of pulsed voltages from the outputs of the independent channels of a multi-channel pulsed generator for triggering complex voltage pulse generators (an option for controlling a mass spectrometer with a pulsed signal on an electromagnetic coil).
На Фиг.6 - приведены эпюры изменения величин электрических потенциалов на электромагнитной обмотке сепаратора по скоростям, на электродах сепаратора по массам и их разности от времени.Figure 6 shows the diagrams of changes in the values of electric potentials on the electromagnetic coil of the separator in terms of speed, on the electrodes of the separator in mass and their difference in time.
Устройство на Фиг.1 содержит размещенные последовательно в заземленной вакуумной камере - 1 по направлению распространения исследуемого потока ионов от входного отверстия (с осью Z) вакуумной камеры 1 сепараторы ионов по скоростям и по массам.The device of FIG. 1 comprises successively placed in a grounded vacuum chamber - 1 in the direction of propagation of the test ion flow from the inlet (with the Z axis) of the vacuum chamber 1, ion separators in speed and mass.
Сепаратор по скоростям ионов на Фиг.1 и Фиг.2 содержит: внешний цилиндрический электрод - 2 с токовводом; внутренний цилиндрический электрод - 3 с токовводом; входную диафрагму - 4, которая заземлена; выходную диафрагму - 5, которая заземлена. При этом внешний 2 и внутренний 3 электроды выполнены коаксиальными с осью O.The separator for ion velocities in figure 1 and figure 2 contains: an external cylindrical electrode - 2 with a current lead; inner cylindrical electrode - 3 with current lead; input diaphragm - 4, which is grounded; output diaphragm - 5, which is grounded. The external 2 and internal 3 electrodes are made coaxial with the axis O.
Сепаратор по массам ионов на Фиг.1 имеет: электрод - 6 цилиндрической формы с радиусом R6; электрод - 7 цилиндрической формы с радиусом R7; входную диафрагму - 8, которая заземлена; выходную диафрагму - 9, которая заземлена.The separator by mass of ions in figure 1 has: an electrode - 6 of a cylindrical shape with a radius of R6; electrode - 7 cylindrical with a radius of R7; input diaphragm - 8, which is grounded; output diaphragm - 9, which is grounded.
В вакуумной камере 1 по направлению распространения потока ионов после сепаратора по массам размещен коллектор - 10.In the vacuum chamber 1 in the direction of propagation of the ion flux after the separator by mass, a collector - 10 is placed.
Кроме того, сепаратор по скоростям ионов имеет: тонкое кольцо - 11 из диэлектрика, размещенное во входном по направлению распространения потока ионов торце электродов 2 и 3; тонкое кольцо - 12 из диэлектрика, размещенное в выходном по направлению распространения потока ионов торце электродов 2 и 3.In addition, the separator according to ion velocities has: a thin ring - 11 made of a dielectric, located at the end of the electrodes 2 and 3 in the inlet along the ion flow direction; a thin ring - 12 of a dielectric, placed in the outlet end in the direction of propagation of the ion flow by the end of the electrodes 2 and 3.
При этом кольца 11 и 12 имеют выполненные в продольном направлении сквозные отверстия соответственно 13 и 14, оси которых совпадают с осью Z входного отверстия вакуумной камеры 1 и осями входной 4 и выходной 5 диафрагм сепаратора по скоростям ионов.In this case, the
Кроме того, сепаратор по скоростям снабжен электромагнитной обмоткой - 15, которая имеет токоввод и охватывает внешний электрод 2 с его внешней стороны, а внутренний электрод 3 с его внутренней стороны, и размещенные в их торцах кольца 11, 12.In addition, the speed separator is equipped with an electromagnetic coil - 15, which has a current lead and covers the outer electrode 2 from its outer side, and the inner electrode 3 from its inner side, and the
Вне вакуумной камеры 1 предлагаемый масс-спектрометр содержит: генератор импульсов напряжения сложной формы - 16 для управления напряжением на внешнем 2 электроде сепаратора по скоростям ионов; генератор импульсов напряжения сложной формы - 17 для управления напряжением на внутреннем 3 электроде сепаратора по скоростям ионов; генератор импульсов напряжения сложной формы - 18 для управления напряжением электромагнитной обмотки 15 сепаратора по скоростям; генератор импульсов напряжения сложной формы - 19 для управления напряжением на электроде 6 сепаратора по массам ионов; генератор импульсов напряжения сложной формы - 20 для управления напряжением на электроде 7 сепаратора по массам ионов; многоканальный импульсный генератор - 21 с числом независимых каналов не менее числа генераторов импульсов напряжении сложной формы в устройстве в целом.Outside the vacuum chamber 1, the proposed mass spectrometer contains: a complex voltage pulse generator - 16 for controlling the voltage at the external 2 electrode of the separator according to ion velocities; complex voltage pulse generator - 17 for controlling the voltage on the inner 3 electrode of the separator according to ion velocities; complex voltage pulse generator - 18 for controlling the voltage of the
Кроме того, к токовводу коллектора 10 вне вакуумной камеры 1 присоединено регистрирующее устройство - 22.In addition, to the current lead of the collector 10 outside the vacuum chamber 1 is attached a recording device - 22.
Работает показанный на Фиг.1 и Фиг.2 масс-спектрометр следующим образом.The mass spectrometer shown in FIG. 1 and FIG. 2 operates as follows.
В сепараторе скоростей (Фиг.2) внешний 2 и внутренний 3 цилиндрические электроды длиной lc, с радиусами соответственно Rc2 и Rc3 с общей осью O выполнены из металла (либо из металлической сетки), при этом удовлетворяют условию (Rc2-Rc3)<<Rc2 и расположены коаксиально и закреплены между собой при помощи диэлектрических тонких колец 11 и 12.In the speed separator (Figure 2), the outer 2 and inner 3 cylindrical electrodes of length l c , with radii R c2 and R c3, respectively, with a common axis O are made of metal (or of a metal mesh), while satisfying the condition (R c2 -R c3 ) << R c2 and are located coaxially and are fixed to each other by means of thin
Вдоль внешней поверхности электрода 2 и внутренней поверхности электрода 3 намотана тороидальная электромагнитная обмотка 15 с равномерным числом витков по азимуту. Через электромагнитную обмотку 15 пропускается постоянный ток, и в зазоре между электродами 2 и 3 создается постоянное магнитное поле азимутального направления величиной индукции В.A toroidal
На внутренний электрод 3 подается отрицательное напряжение, а на внешний электрод 2 - положительное относительно земли (корпуса масс-спектрометра). Таким образом, между двумя электродами 2 и 3, при подаче на них напряжений и при пропускании тока через электромагнитную обмотку 15, возникают скрещенные электрическое и магнитное поле. Сепаратор скоростей ионов имеет конструкцию, которая обеспечивает магнитное поле, равномерно распределенное вдоль поверхностей внешнего 2 и внутреннего 3 электродов. Как следствие этого, уменьшение краевых эффектов и снижение аберраций. На входе частиц в сепаратор скоростей расположена входная диафрагма 4, на выходе частиц - выходная диафрагма 5, диаметр отверстий диафрагм 4 и 5 значительно меньше разности радиусов Rc2 и Rc3 внешнего 2 и внутреннего 3 электродов соответственно. Диэлектрические тонкие кольца 11 и 12 имеют отверстия, диаметр которых также много меньше разности радиусов Rc2 и Rc3, а оси расположены строго вдоль оси входного отверстия Z вакуумной камеры 1 по образующей цилиндра с радиусом RcZ и осью O (см. фиг.2). Таким образом, частицы могут проходить через входную 4 и выходную 5 диафрагмы вдоль скрещенных электрического и магнитного полей. Электроды 6 и 7 электростатического анализатора представляют собой два цилиндрических электрода, расположенных коаксиально на расстоянии (R7-R6)<<R7 друг от друга. На электрод 7 подается положительное напряжение, а на электрод 6 - отрицательное напряжение относительно земли (вакуумного корпуса 1). Электростатический анализатор (сепаратор по массам ионов) разворачивает частицы на 90° (либо на 180°, либо на 270°).A negative voltage is supplied to the internal electrode 3, and positive to the ground (the mass spectrometer case) to the external electrode 2. Thus, between the two electrodes 2 and 3, when voltage is applied to them and current is passed through the
Многоканальный импульсный генератор 21 служит для синхронизации запуска генераторов импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20. Эпюры импульсов напряжений вырабатываемых генератором 21, используемых для запуска генераторов импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20, представлены на Фиг.3.Multi-channel pulse generator 21 is used to synchronize the start of pulse voltage generators of
Генератор импульсных напряжений 16 подает сигнал на внешний электрод 2 сепаратора скоростей. Генератор импульсных напряжений сложной формы 17 подает сигнал на внутренний электрод 3 сепаратора скоростей. Генератор импульсных напряжений сложной формы 19 подает сигнал на электрод 6 сепаратора по массам. Генератор импульсных напряжений сложной формы 20 подает сигнал на электрод 7 сепаратора по массам. Период следования импульсов T генераторов импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20 одинаков и должен быть существенно больше времени пролета tпролета частиц ионного пучка вдоль оси Z в сепараторе скоростей равного:The
где: lc - длина сепаратора скоростей;where: l c is the length of the speed separator;
υmin - наименьшая скорость частиц в пучке.υ min is the lowest particle velocity in the beam.
При подаче напряжения многоканальным импульсным генератором 21 на генераторы импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20 обеспечиваются временные задержки импульсов (см. Фиг.3). Сначала импульсы подаются генераторами импульсных напряжений сложной формы 16 и 17 на внешний 2 и внутренний 3 электроды соответственно, спустя время tзад (tзад - время задержки подачи импульсов между генераторами импульсных напряжений сложной формы 16, 17 и 19, 20, которое должно быть больше времени пролета ионов расстояния между выходной диафрагмой 5 сепаратора скоростей и входной диафрагмой 8 электростатического анализатора - сепаратора по массам) подаются импульсы генераторами импульсных напряжений сложной формы 19 и 20 на электроды 6 и 7 соответственно.When voltage is applied by a multi-channel pulse generator 21 to pulse voltage generators of
Генератор импульсных напряжений сложной формы 16 воспроизводит сигнал ступенчатой формы. Амплитуды приложенных к внешнему электроду 2 потенциалов увеличиваются со временем. Величина начального потенциала от генератора импульсных напряжений сложной формы 16 - , спустя интервал времени, равный T, сигнал изменится до величины , и так далее до (см. фиг.4). Генератор импульсных напряжений сложной формы 17 воспроизводит сигналы ступенчатой формы, полярность которых противоположна, а длительность совпадает с сигналами, вырабатываемыми генератором импульсных напряжений сложной формы 16. Величина начального потенциала от генератора импульсных напряжений сложной формы 17 - , спустя интервал времени, равный T, сигнал изменится до величины , и так далее до . Разность потенциалов между внешним 2 и внутренним 3 электродами изначально равна , спустя интервал времени, равный T, разность потенциалов между внешним 2 и внутренним 3 электродами , и так далее. Таким образом, , , …, , где n - количество шагов, определяющих точность измерения распределения ионов по скоростям.The pulse voltage generator of
Генератор импульсных напряжений сложной формы 19 воспроизводит сигнал пилообразной формы с амплитудой потенциала, приложенного к электроду 6 и убывающего до величины Ф6. Генератор импульсных напряжений сложной формы 20 воспроизводит сигнал пилообразной формы потенциала, приложенного к электроду 7 и возрастающего до величины Ф7, противоположной полярности с амплитудой потенциала, приложенного к электроду 6 спектрометра по массам. Распределение потенциала между электродами 6 и 7 имеет пилообразную форму и возрастает до величины, равной U7-6, которая определяется разностью потенциалов, приложенных к электродам 7 и 6, U7-6=Ф7-Ф6.The pulse voltage generator of
При этом от генератора импульсов напряжений сложной формы 18 на электромагнитную обмотку 15 подается напряжение постоянной величины (см. фиг.3).In this case, from a voltage pulse generator of complex shape 18, a constant voltage is applied to the electromagnetic winding 15 (see FIG. 3).
Масс-спектрометр работает следующим образом.Mass spectrometer works as follows.
Исследуемый поток ионов проходит через заземленную входную диафрагму 4, затем попадает в сепаратор скоростей. Сепаратор скоростей действует на заряженные частицы (ионы) подобно фильтру Вина, физический принцип действия которого таков: начальная скорость заряженных частиц направлена перпендикулярно взаимно ортогональным векторам напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила , равная (где q - заряд иона), и магнитная сила Лоренца (см. Фиг.2). Электрическая сила направлена от внешнего электрода 2 к внутреннему электроду 3, как показано на Фиг.2, магнитная сила Лоренца направлена от внутреннего электрода 3 к внешнему электроду 2, так как в выражении присутствует векторное произведение скорости частицы и индукции магнитного поля, следовательно, результирующий вектор, то есть сила Лоренца, направлен взаимно ортогонально двум указанным векторам. При условии, когда , эти силы точно уравновешивают друг друга. Если это условие выполняется, частица будет двигаться равномерно и прямолинейно. При заданных значениях электрического и магнитного полей сепаратор скоростей выделит частицы, движущиеся с определенной скоростью , независимо от величины их массы. Для частиц с иной скоростью сепаратор скоростей является ионной ловушкой.The studied ion flow passes through a grounded inlet diaphragm 4, then enters the speed separator. The speed separator acts on charged particles (ions) like a Wien filter, the physical principle of which is as follows: initial velocity charged particles directed perpendicular to mutually orthogonal electric intensity vectors field and magnetic induction fields. A particle moving in crossed electric and magnetic fields is affected by an electric force. equal to (where q is the ion charge), and the magnetic Lorentz force (see Figure 2). Electric power directed from the outer electrode 2 to the inner electrode 3, as shown in FIG. 2, the Lorentz magnetic force directed from the inner electrode 3 to the outer electrode 2, as in the expression there is a vector product of particle velocity and magnetic field induction, therefore, the resulting vector, that is, the Lorentz force, is mutually orthogonal to the two indicated vectors. Provided when , these forces precisely balance each other. If this condition is satisfied, the particle will move uniformly and rectilinearly. For given values of electric and magnetic fields, the speed separator will isolate particles moving with a certain speed , regardless of the size of their mass. For particles with a different velocity, the velocity separator is an ion trap.
В предлагаемом сепараторе скоростей направление скорости влетающих в него ионов параллельно направлению оси Z, а напряженность электрического поля перпендикулярна направлению скорости ионов в направлении от внешнего электрода 2 к внутреннему 3, индукция магнитного поля ортогональна направлению скорости ионов и напряженности электрического поля.In the proposed speed separator, the direction of speed ions entering it parallel to the direction of the Z axis, and the electric field is perpendicular to the direction of ion velocity in the direction from the outer electrode 2 to the inner 3, the magnetic field is orthogonal to the direction of ion velocity and electric field strength.
В работе («Особенности движения заряженных частиц в трансляционно-симметричных взаимно ортогональных электрическом и магнитном полях», П.М. Тюрюканов // Журнал технической физики, том LI // 1981) - [3] подробно описаны условия движения заряженных частиц в трансляционно-симметричных электромагнитных полях. Приведены расчеты для продольной и поперечной составляющих скоростей ионов в скрещенных полях. А также получено выражение для границы области, возможной для движения частиц. Из приведенных расчетов видны условия движения ионов в скрещенных полях. Распределение электростатического потенциала в пространстве между электродами 2 и 3 имеет логарифмическую зависимость. Приведенные в работе [3] расчеты показывают важность того факта, что напряженность электрического поля и индукция магнитного поля распределены по одинаковому закону. Учитывая расчеты в работе [3], можно утверждать, что в предлагаемой конструкции сепаратора скоростей обеспечивается условие, когда E(r)~1/r и B(r)~1/r (где: r - расстояние, которое пролетает ион вдоль оси Z при заданных значениях E и B), а это способствует отсутствию искажений и высокой точности прибора.In the work (“Peculiarities of the motion of charged particles in translationally symmetric mutually orthogonal electric and magnetic fields”, P. M. Tyuryukanov // Journal of Technical Physics, Volume LI // 1981) - [3] describes in detail the conditions for the motion of charged particles in translational symmetric electromagnetic fields. Calculations are given for the longitudinal and transverse components of the ion velocities in crossed fields. And also an expression is obtained for the boundary of the region possible for particle motion. From the above calculations, the conditions for the motion of ions in crossed fields are visible. The distribution of the electrostatic potential in the space between electrodes 2 and 3 has a logarithmic dependence. The calculations presented in [3] show the importance of the fact that the electric field and magnetic field induction distributed according to the same law. Given the calculations in [3], it can be argued that in the proposed design of the speed separator the condition is provided when E (r) ~ 1 / r and B (r) ~ 1 / r (where: r is the distance that the ion flies along the axis Z at given values of E and B), and this contributes to the absence of distortion and high accuracy of the device.
Так как на генераторы импульсных напряжений сложной формы 16 и 17 подаются ступенчатые сигналы разной полярности, а от генератора импульсов напряжений сложной формы 18 подается постоянное напряжение на электромагнитную обмотку 15, сепаратор по скоростям выделяет частицы с определенной скоростью на участке длительностью T1 и величиной разности потенциалов . После увеличения потенциала до величины , в течение времени T2 сепаратор по скоростям выделяет из ионного пучка частицы со скоростью . Аналогично при возрастании потенциала до в течение времени Tn сепаратор скоростей выделит частицы со скоростью .Since stepwise signals of different polarity are supplied to pulse voltage generators of
Далее частицы с одним и тем же значением скорости, проходя заземленную выходную диафрагму 5 сепаратора по скоростям, а затем диафрагму 8, попадают в поле сепаратора по массам (электростатического анализатора) между электродами 6 и 7.Then particles with the same speed value, passing through the grounded output diaphragm 5 of the separator in terms of speed, and then diaphragm 8, fall into the mass separator field (electrostatic analyzer) between the electrodes 6 and 7.
Движение иона в зазоре между электродами 6 и 7 происходит по окружности, радиус траектории R0 которой определяется выражением:The movement of the ion in the gap between the electrodes 6 and 7 occurs in a circle, the radius of the trajectory R 0 which is determined by the expression:
где: m - масса иона;where: m is the mass of the ion;
υ - скорость иона;υ is the ion velocity;
q - заряд иона;q is the ion charge;
U - величина напряжения электрического поля между электродами 6 и 7 сепаратора по массам.U is the magnitude of the electric field voltage between the electrodes 6 and 7 of the separator by mass.
Следовательно, прошедшие сепаратор по скоростям ионы имеют фиксированную скорость υ и различные массы m. При заданном напряжении U в сепараторе по массам будут двигаться по соответствующим их массам траекториям. Таким образом, при определенном значении напряжения U, будут выделены частицы с определенной массой m. Задавая различные значения напряжения U, можно получить весь масс-спектр при фиксированной скорости υ.Consequently, ions passing through the velocity separator have a fixed velocity υ and various masses m. At a given voltage U in the separator, the masses will move along the trajectories corresponding to their masses. Thus, at a certain value of voltage U, particles with a certain mass m will be selected. By setting various values of the voltage U, it is possible to obtain the entire mass spectrum at a fixed speed υ.
Подача сигналов пилообразной формы от генераторов импульсных напряжений сложной формы 19 и 20 на электроды 6 и 7 обеспечивает развертку масс-спектрометра. Амплитуда разности потенциалов U7-6=Ф7-Ф6 выбирается в зависимости от того, какова масса самой тяжелой частицы в спектре. Частицы со скоростью , выделенные сепаратором скоростей в течение времени T1 при величине потенциала (см. Фиг.4), попадая в поле сепаратора по массам электродов 6 и 7, благодаря сигналу пилообразной формы на них, сепарируются по массам. Поскольку при фиксированной скорости энергия частицы пропорциональна массе, то на выходе сепаратора по массам ионы будут разделены в соответствии с их массовыми числами. В течение второго интервала времени T2 частицы со скоростью , прошедшие сепаратор скоростей, когда напряжение между его электродами принимает величину , также сепарируются по массам, попадая в поле сепаратора по массам между электродами 6 и 7. Аналогично в последующие интервалы времени Т3, Т4 … Tn при величинах напряжений на сепараторе скоростей , … , сепаратором по скоростям будут выделяться частицы с фиксированными скоростями , , … , а затем сепарироваться по массам в поле сепаратора по массам.The supply of sawtooth signals from pulse generators of
Затем выделенные по массам ионы проходят заземленную диафрагму 9 и попадают на коллектор 10, создавая в его цепи ток, который регистрируется устройством 22 в виде ряда пиков.Then, the ions separated by masses pass through the grounded diaphragm 9 and fall on the collector 10, creating a current in its circuit, which is recorded by the device 22 in the form of a series of peaks.
Так же развертка спектра по скоростям может быть получена путем изменения магнитного поля электромагнитной обмотки 15 (см. Фиг.5), что расширяет функциональные возможности масс-спектрометра. При этом электрическое поле между электродами 2 и 3 должно быть постоянным, что обеспечивается подачей на электроды 2 и 3 от генераторов импульсных напряжений сложной формы 16 и 17 потенциалов постоянной величины, таким образом, электрическое поле в зазоре между внешним электродом 2 и внутренним электродом 3 постоянно. От генератора импульсов напряжений сложной формы 18 подается ступенчатый сигнал на электромагнитную обмотку 15 (см. Фиг.6), сепаратор скоростей выделяет частицы с определенной скоростью на участке длительностью T1 и величиной создаваемой магнитной индукции В1. Затем сигнал на электромагнитной обмотке 15 увеличивают и создают индукцию магнитного поля величиной В2, при этом в течение времени Т2 сепаратор частиц выделяет из ионного пучка частицы со скоростью . Аналогично при возрастании индукции магнитного поля до Bn сепаратор скоростей выделит частицы со скоростью . Временная задержка tзад импульсов на электромагнитную обмотку 15, электрод 6 и электрод 7 показаны на Фиг.5.Also, the speed spectrum scan can be obtained by changing the magnetic field of the electromagnetic winding 15 (see Figure 5), which extends the functionality of the mass spectrometer. In this case, the electric field between the electrodes 2 and 3 must be constant, which is ensured by applying to the electrodes 2 and 3 from pulse generators of
Далее принцип работы масс-спектрометра схож с ранее описанным вариантом работы устройства.Further, the principle of operation of the mass spectrometer is similar to the previously described embodiment of the device.
Использование предлагаемой конструкции масс-спектрометра позволит реализовать задачу получения распределения ионов исследуемого вещества по скоростям для каждой определенной массы mn.Using the proposed design of the mass spectrometer will allow you to implement the task of obtaining the distribution of ions of the analyte in speeds for each specific mass m n .
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013149362/07A RU2549367C1 (en) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | Mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013149362/07A RU2549367C1 (en) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | Mass spectrometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2549367C1 true RU2549367C1 (en) | 2015-04-27 |
RU2013149362A RU2013149362A (en) | 2015-05-20 |
Family
ID=53283574
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013149362/07A RU2549367C1 (en) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | Mass spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2549367C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4054796A (en) * | 1975-06-24 | 1977-10-18 | Nihon Denshi Kabushiki Kaisha | Mass spectrometer with superimposed electric and magnetic fields |
US6639227B1 (en) * | 2000-10-18 | 2003-10-28 | Applied Materials, Inc. | Apparatus and method for charged particle filtering and ion implantation |
RU2431214C1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) | Method of analysing charged particles based on mass and device for realising said method |
RU124434U1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" | MASS SPECTROMETER |
-
2013
- 2013-11-07 RU RU2013149362/07A patent/RU2549367C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4054796A (en) * | 1975-06-24 | 1977-10-18 | Nihon Denshi Kabushiki Kaisha | Mass spectrometer with superimposed electric and magnetic fields |
US6639227B1 (en) * | 2000-10-18 | 2003-10-28 | Applied Materials, Inc. | Apparatus and method for charged particle filtering and ion implantation |
RU2431214C1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) | Method of analysing charged particles based on mass and device for realising said method |
RU124434U1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" | MASS SPECTROMETER |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013149362A (en) | 2015-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11646191B2 (en) | Instrument, including an electrostatic linear ion trap, for separating ions | |
US9373490B1 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
CN102446693B (en) | A kind of accelerated method of charged particle and application thereof | |
US6984821B1 (en) | Mass spectrometer and methods of increasing dispersion between ion beams | |
US11276544B2 (en) | Dynamic electron impact ion source | |
US7148472B2 (en) | Aerosol mass spectrometer for operation in a high-duty mode and method of mass-spectrometry | |
CN111223752B (en) | Ion mass screening device in time-of-flight mass spectrum | |
CN103531432B (en) | A kind of method of pulsed ion source, mass spectrometer and generation ion | |
RU2531369C2 (en) | Mass spectrometer and mass spectrometric analysis method | |
JP6006322B2 (en) | Mass spectrometer and mass separator | |
RU124434U1 (en) | MASS SPECTROMETER | |
RU2549367C1 (en) | Mass spectrometer | |
CA2477278C (en) | Cycloidal mass spectrometer | |
EP1737018A2 (en) | Detecting ions in a spectrometer | |
US7858931B2 (en) | Methods and devices for the mass-selective transport of ions | |
RU169336U1 (en) | ELECTROSTATIC CHARGED PARTICLE ENERGY ANALYZER | |
US10290485B2 (en) | Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry | |
US5872356A (en) | Spatially-resolved electrical deflection mass spectrometry | |
RU136237U1 (en) | ANALYZER OF ENERGIES AND MASSES OF CHARGED PARTICLES | |
WO2013097659A1 (en) | Mass analyzer with coil-shaped electric field | |
US6791079B2 (en) | Mass spectrometer based on the use of quadrupole lenses with angular gradient of the electrostatic field | |
CN203481184U (en) | Pulse type ion source and mass spectrometer | |
RU2266587C1 (en) | Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer | |
RU2769377C1 (en) | Tof mass spectrometer | |
RU2708637C1 (en) | Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171108 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190405 |
|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20191230 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201108 |